城市轨道交通作为绿色、高效的公共出行工具,能够有效缓解城市地面交通拥堵问题,近年来得到了快速发展。然而,传统城市轨道交通供电系统存在再生制动能量利用率低、电能质量低下的问题。飞轮储能（Flywheel Energy Storage,FES）作为一种高效率、高功率密度、高响应速度的物理储能方式,在能量回收和电能质量治理方面有着优越的表现。然而,飞轮储能技术尚未普及,在城市轨道交通系统中的应用较少,研究较为匮乏。本文针对飞轮储能系统在城市轨道交通系统中的应用展开研究,发掘飞轮储能在再生制动能量回收、提升轨道交通供电系统电能质量方面的积极意义。首先,介绍了飞轮储能系统的结构、工作原理,对飞轮储能系统所使用的永磁同步电机进行建模。采用励磁电流id=0方法实现了飞轮储能系统充放电控制,通过加入前馈解耦环节,提高了飞轮储能系统响应速度。基于MATLAB 2020a搭建了飞轮储能系统仿真模型,为飞轮储能系统在轨道交通中的应用研究奠定基础。其次,结合轨道列车运行阻力和制动策略,仿真计算了轨道列车单次制动能量。分析了多列车运行方式对牵引网电压的影响,结合单次制动能量计算,配置了飞轮阵列（Flywheel Energy Storage Arrays,FESA）容量。介绍了轨道交通供电系统结构以及供电方式,阐述了24脉波整流变压器工作原理,基于MATLAB 2020a搭建了轨道交通牵引供电系统仿真模型,为后文飞轮储能系统的应用提供平台。再次,设计了地铁-飞轮再生制动能量回收系统的控制策略。针对单体飞轮,提出了基于前馈解耦的双外环协调控制策略,并基于模糊控制理论,添加了模糊自适应PID控制器,提升了飞轮储能系统控制性能;针对飞轮阵列放电模式,提出了基于等功率、等转矩、等时间的三种阵列放电控制策略;针对飞轮阵列充电模式,提出了飞轮储能单元荷电状态（State of Charge,SOC）自动均衡充电策略。阐述了逆变回馈、超级电容再生制动能量回收系统的工作原理,基于MATLAB 2020a平台对三种再生制动能量回收方式进行了仿真对比分析,并验证了飞轮储能系统控制策略的可行性和优越性。最后,论述了多列车频繁启停引起的牵引网直流母线电压暂降/暂升和牵引变电站交流侧电流谐波问题,接着论述了交、直流侧短路故障引起的牵引网直流电压暂降问题。基于MATLAB 2020a平台,仿真验证了通过引入飞轮储能系统,可以平抑多列车启停引起的直流电压暂降/暂升,大幅缓解交、直流侧短路故障引起的直流电压暂降,并且可以改善交流侧电流波形,抑制交流侧电流谐波,使得非特征谐波基本消失,特征谐波含量显著降低。